電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下的可調(diào)節(jié)負(fù)荷機(jī)制研究

周 波，丁 榮，徐 寧，徐 楠

（國網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，河北 石家莊 050021）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人民生活水平迅速提高，電力需求穩(wěn)步提升，尤其是夏季空調(diào)負(fù)荷和冬季電采暖負(fù)荷較大時段，電力系統(tǒng)供需平衡緊張，存在“硬缺電”現(xiàn)象。為緩解電網(wǎng)負(fù)荷高峰時段供需平衡矛盾，電力需求側(cè)管理技術(shù)的相關(guān)理論和實踐得到了廣泛研究。

國外對需求側(cè)響應(yīng)的研究始于20 世紀(jì)70 年代［1］，主要從需求側(cè)響應(yīng)資源和能效資源兩方面開展相關(guān)研究［2-3］。文獻(xiàn)［4］測算了不同用戶的電價彈性及參與需求側(cè)響應(yīng)的程度；文獻(xiàn)［5-6］通過研究指出，采取尖峰電價政策有利于調(diào)動可調(diào)節(jié)負(fù)荷資源參與響應(yīng)；文獻(xiàn)［7-8］分別構(gòu)建了智能電網(wǎng)和智能家居背景下的電力需求側(cè)響應(yīng)模型；文獻(xiàn)［9］研究了包含燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)的電力需求響應(yīng)情況。我國對需求側(cè)響應(yīng)的研究和實踐從20 世紀(jì)90 年代開始。文獻(xiàn)［10］對需求側(cè)響應(yīng)的基本概念、方法和美國典型需求側(cè)響應(yīng)項目進(jìn)行了介紹；文獻(xiàn)［11］介紹了電力市場中長期交易模式下的需求側(cè)響應(yīng)，未涉及電力現(xiàn)貨市場；文獻(xiàn)［12］對電價和負(fù)荷曲線的相互關(guān)系進(jìn)行了求解，并以此為基礎(chǔ)建立了分時電價模型；文獻(xiàn)［13］設(shè)計了峰谷分時電價的定價模型，通過對算例仿真驗證了可行性；文獻(xiàn)［14］深入研究了尖峰電價機(jī)制，建立了供、用雙方利益平衡的尖峰電價定價模型；文獻(xiàn)［15］通過模糊聚類的算法對分時電價下用戶的需求側(cè)響應(yīng)情況進(jìn)行了評估。文獻(xiàn)［16］在分時電價優(yōu)化模型中引入了用戶綜合滿意度指標(biāo)，并將創(chuàng)建的用戶滿意度指標(biāo)整合進(jìn)峰谷分時電價決策模型中。現(xiàn)有研究均基于非電力現(xiàn)貨市場環(huán)境進(jìn)行分析，而在現(xiàn)貨交易機(jī)制下，如何運用價格手段調(diào)動需求側(cè)資源保證電力市場供需平衡，現(xiàn)有研究成果均不成熟。

針對上述問題，在梳理電力需求側(cè)響應(yīng)相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，對電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下的電力需求側(cè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷機(jī)制進(jìn)行深入分析，提出了適應(yīng)電力現(xiàn)貨市場交易規(guī)則的可調(diào)節(jié)負(fù)荷運行機(jī)制。在理論研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)某省實際情況進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果驗證所提機(jī)制的合理性和可行性。

1 拍賣機(jī)制簡介

拍賣的基本類型共有4 種：英國式拍賣、荷蘭式拍賣、第一價格密封拍賣和第二價格密封拍賣，4 種拍賣形式的特點見表1。

表1 4 種基本拍賣類型的特點

4 種基本的拍賣類型通常針對單個物品一次拍賣出售的情況，對于多個物品以及可分割物品（如電力），須采用逐次進(jìn)行、多場拍賣的形式出售商品，該形式稱為序貫拍賣，即多個物品以多次拍賣的形式出售。

序貫拍賣屬于升價拍賣方式，在拍賣過程中，每個競買人均按照事先分配的競拍序號按順序進(jìn)行競價，每位競拍人只知道其前一位競拍人的報價，并根據(jù)前一位競買人的競價和自己的私人估價開展報價，若競買人在某輪次競拍過程中選擇放棄競價，則該競買人在隨后的競價輪次中不再有報價資格［10-13］。

2 基于需求側(cè)響應(yīng)的可調(diào)節(jié)負(fù)荷機(jī)制設(shè)計

基于用戶需求側(cè)響應(yīng)的可調(diào)節(jié)負(fù)荷機(jī)制遵循“契合電力用戶的用能特點及電力價格需求彈性、適應(yīng)電力供需形勢及現(xiàn)貨市場規(guī)則、科學(xué)反映不同用戶利益分配關(guān)系、動態(tài)聯(lián)動年度調(diào)節(jié)” 原則進(jìn)行設(shè)計，建立包含可調(diào)節(jié)負(fù)荷容量市場、電量市場的二級市場模式。容量市場初期按照政府行政指令確定市場容量和市場主體，電量市場則由市場主體采用序貫拍賣方式進(jìn)行競價。

2.1 容量市場

調(diào)度機(jī)構(gòu)按照區(qū)域內(nèi)年度電力供需平衡預(yù)測情況，開展下一年度尖峰（頂峰）負(fù)荷水平預(yù)測，并與年度電網(wǎng)最大供電能力進(jìn)行比較，預(yù)估年度最大電力供應(yīng)缺口ΔQ0。

根據(jù)預(yù)測的年度最大電力供應(yīng)缺口ΔQ0，調(diào)度機(jī)構(gòu)與政府能源主管部門溝通協(xié)商，確定可調(diào)節(jié)負(fù)荷容量市場的規(guī)模Qd，應(yīng)保證Qd＞ΔQ0。

按照政府部門批復(fù)的可調(diào)節(jié)負(fù)荷容量市場規(guī)模，確定容量市場參與主體。在市場建設(shè)初期，建議沿用行政手段確定市場主體（可參考有序用電主體名單），避免市場規(guī)則不完善、市場主體對規(guī)則不熟悉造成市場失靈。在市場運行成熟后，通過框架招標(biāo)等市場化方式確定市場主體。

關(guān)于補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。在市場建設(shè)初期，建議由政府部門采用行政手段確定容量補(bǔ)償額度，在市場運行成熟后，通過招標(biāo)方式確定容量補(bǔ)償額度（邊際報價，即臨界中標(biāo)主體的投標(biāo)報價）。

關(guān)于補(bǔ)償金額來源。容量市場參與主體為保證電力市場安全穩(wěn)定運行做出了貢獻(xiàn)，應(yīng)由全體電力用戶對其進(jìn)行補(bǔ)償。建議探索通過加收輸配電價附加費等方式收取該項費用。該項費用設(shè)置獨立賬戶，由政府主管部門管理、接受社會監(jiān)督，?？顚Ｓ?，與電網(wǎng)公司無關(guān)。

2.2 電量市場

調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)區(qū)域內(nèi)電力供需平衡預(yù)測情況（市場建設(shè)初期按照日前發(fā)布開市通知，即在N-1 天確定是否需要在第N 天開啟需求側(cè)可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場），針對“硬缺電”時段，提前發(fā)布可調(diào)節(jié)負(fù)荷電量市場開市通知。

調(diào)度機(jī)構(gòu)根據(jù)電網(wǎng)供需平衡預(yù)測情況確定的年度第i 次啟動可調(diào)節(jié)負(fù)荷電量市場的電力缺口為ΔQi（ΔQi＝ΔQ0），交易中心負(fù)責(zé)組織需求側(cè)響應(yīng)市場各主體針對“硬缺電”時段開展“報量又報價”模式申報購電需求（可仿照電廠報價、采取三段式報價）。在可調(diào)節(jié)負(fù)荷電量市場中購電商j 的購電需求報價如圖1 所示，圖中縱坐標(biāo)Qj表示購電商j 在市場中申報的用電量需求，Qjmax表示其最大用電量，橫坐標(biāo)P表示購電商j 針對不同用電需求的報價，隨報價升高，用戶用電意愿降低。

圖1 購電商j 的購電需求報價曲線

電力交易機(jī)構(gòu)將日前匯總收集的所有購電商的購電需求報價封存，形成可調(diào)節(jié)負(fù)荷電量市場總報價曲線如圖2 所示，此時電力市場的供需狀況如圖3 所示?？烧{(diào)節(jié)負(fù)荷電量市場的總份額為

式中：Q 為可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場的總可調(diào)節(jié)電量；n 為參與可調(diào)節(jié)負(fù)荷電量市場的用戶數(shù)量。

圖2 總購電需求報價曲線

圖3 電力供需狀況

從圖3 可以看到，預(yù)計第i 個缺電時段內(nèi)，電力市場的最大用電需求為Qid，最大電力供給為Qis，存在ΔQi的電力供應(yīng)缺口?？烧{(diào)節(jié)負(fù)荷市場的總可調(diào)節(jié)用電需求為Q，啟動可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場后，由所有可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場參與主體競價爭奪可競爭電量份額ΔQ，電力市場總用電需求扣除可調(diào)節(jié)市場的用電需求后，其他電力用戶的用電需求為Qib（Qib=Qid-Q，且Qib

圖4 可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場競價結(jié)果

從圖4 可以看到，在缺電時段內(nèi)，可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場主體競價爭奪圖4 中ΔQ 部分的可競爭電量份額，圖4 中P0為可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場的邊際成交價，即當(dāng)用戶的報價低于邊際成交電價P0時，競價失敗，無法用電；當(dāng)報價高于邊際成交電價P0時，競價成功，可以用電。

可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場的競價結(jié)果排序相當(dāng)于購電權(quán)排序，即在電力供應(yīng)不足時優(yōu)先向高價用戶售電，也可以理解為電力供應(yīng)不足時優(yōu)先將低價用戶限電。

2.3 負(fù)荷市場結(jié)算

可調(diào)節(jié)負(fù)荷電量市場的結(jié)算，按照用戶報價及實際用電量開展結(jié)算。

圖5 為某參與需求側(cè)響應(yīng)市場用戶的用電情況，圖中Qmax、Qmin分別表示該用戶一天內(nèi)用電最大、最小時段的用電需求。該日［t1，t2］時段需求側(cè)響應(yīng)市場啟動，假設(shè)該用戶的三段報價分別為1.35 元／kWh、1.2 元／kWh、1.13 元／kWh，需求側(cè)響應(yīng)市場邊際成交價格為1.15 元／kWh，則該用戶一段、二段成交，三段不成交。圖5 中陰影部分為用戶的缺電量，用戶尖峰時段預(yù)期用電和實際用電曲線已在圖5 中標(biāo)識。

圖5 用戶用電情況

在結(jié)算時，針對用戶成交電量采用需求側(cè)響應(yīng)市場封存的用戶報價收取電費。

收取的電費應(yīng)按兩步制發(fā)放，首先按照電力現(xiàn)貨市場成交價支付電廠與電網(wǎng)公司 （上網(wǎng)電價及輸配電價），盈余部分資金返還需求側(cè)響應(yīng)市場未成交用戶，即將支付完上網(wǎng)電價及輸配電價后的盈余部分按照需求響應(yīng)用戶未成交電量比例進(jìn)行分配，實現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)市場資金內(nèi)部循環(huán)，即用電主體支付高價對未用電主體進(jìn)行補(bǔ)貼。

在電力需求側(cè)交易市場中，采取序貫拍賣方式開展，假設(shè)第j 個購電商第i 次報價為Cji，則第j 個購電商第i 次報價時可了解到前（j-1）個購電商的第i 次有效報價Cj（i-1），如報價Cji≥C（j-1）i則報價有效，如Cji

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

假設(shè)某次迎峰度夏時段，電網(wǎng)尖峰負(fù)荷為40 GW，電網(wǎng)最大電力供應(yīng)能力為36 GW，電網(wǎng)可調(diào)節(jié)負(fù)荷容量市場用戶共6 家，市場容量為8 GW。

按照序貫拍賣組織6 家用戶開展競價，最終報價單見表3。

可爭奪的電力市場份額為4 GW，除可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場外的電力現(xiàn)貨市場出清價格為1.05 元／kWh。

3.2 測算結(jié)果及分析

按照可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場報價從高到低依次排序，則成交記錄如表4 所示。

表3 可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場競價結(jié)果

表4 可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場成交結(jié)果

按照拍賣成交結(jié)果，按照電力現(xiàn)貨市場均價支付電費后，可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場盈余資金124 萬元，未中標(biāo)電量共4×106kWh，則對未中標(biāo)電量度電補(bǔ)償為124÷400=0.31（元／kWh），各用戶獲得的補(bǔ)償款見表5。

表5 可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場補(bǔ)償款分配結(jié)果

根據(jù)上述可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場的盈余及補(bǔ)償分配結(jié)果可以看到，市場交易結(jié)果符合“誰受益，誰付款”原則，確保了公平，申報高價的用戶保證了自己的用電需求，低價用戶未能正常用電但因其限電行為獲得了額外補(bǔ)償，確保了各方利益的均衡。

4 結(jié)語

在深入研究電力現(xiàn)貨市場規(guī)則和可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場基本原理的基礎(chǔ)上，將經(jīng)濟(jì)學(xué)中的競價拍賣理論引入電力市場中，設(shè)計了一套與電力現(xiàn)貨市場規(guī)則密切銜接的可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場，市場包含容量市場和電量市場。在報價階段采用序貫報價的方式，在結(jié)算階段采取“報價成交、盈余返還”的方式，可實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，符合“誰受益，誰付款”原則，在保證公平的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了各方利益的均衡，并通過實際算例驗證了機(jī)制的可行性與分配結(jié)果的合理性。

在可調(diào)節(jié)負(fù)荷市場運行方面，采用用戶依次序貫報價的方式形成總報價曲線，在缺電時段按照報價由低到高的次序依次切除用戶負(fù)荷保證系統(tǒng)平衡。未來，在市場的報價組織、用戶的響應(yīng)方式方面，可以結(jié)合現(xiàn)貨市場的建設(shè)情況繼續(xù)進(jìn)行深入探索，在保障電力系統(tǒng)安全運行的基礎(chǔ)上實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。